LASER 22.05.2013 Sophia Thies Proseminar Physik Universität Bielefeld

Inhalt Historie Das Laserprinzip Bauarten verschiedener Laser Eigenschaften Anwendungen Aktuelle Forschung Zusammenfassung

Historie Vorarbeit zum Laser 1917: Einstein - stimulierte Emission Laserprinzip 1954: Townes, Schawlow - MASER Bauarten Eigenschaften 1959: Gould – Patentantrag LASER Anwendungen Gould (nicht gebaut) -> Marxist, Patent wird nicht anerkannt -> Rechtsstreit -> später zwei Laserpatente Entwicklung weiterer Laser schnell Bildquelle: http://media-3.web.britannica.com/eb-media/61/96861-004-8E792F95.jpg http://web.mit.edu/invent/iow/gould.html Forschung Zusammenf. [A1] [A1] wikimedia.org/.../449px-Gould_notebook_001.jpg [1] hs-pforzheim.de/.../GeschichteDesLasers_Verfahren.aspx 1 [2] web.mit.edu/invent/iow/gould.html

Historie Der erste Laser 1960: Maiman – Rubin-LASER 1980: Industrie – Laserprinzip Bauarten 1980: Industrie – Erste gepulste Laser Eigenschaften Anwendungen Gould (nicht gebaut) -> Marxist, Patent wird nicht anerkannt -> Rechtsstreit -> später zwei Laserpatente Entwicklung weiterer Laser schnell Bildquelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/df/Ted_Maiman_Holding_First_Laser.jpg/220px-Ted_Maiman_Holding_First_Laser.jpg Forschung [A2] Zusammenf. Bis heute: Enorme Einsatzvielfalt 2 [A2] en.wikipedia.org/.../File:Ted_Maiman_Holding_First_Laser.jpg [1] hs-pforzheim.de/.../GeschichteDesLasers_Verfahren.aspx

Das Laserprinzip Grundlage: Stimulierte Emission Absorption Spontane Historie Laserprinzip Bauarten Eigenschaften Anwendungen Forschung Zusammenf. Absorption Spontane Emission Stimulierte Emission 3

Das Laserprinzip Pumpen Aufbauen einer Besetzungsinversion Historie Aufbauen einer Besetzungsinversion Laserprinzip Bauarten Eigenschaften 𝐸 𝑀 − 𝐸 𝐿 =ℏ𝜔 Anwendungen Forschung Zusammenf. Nur Mehr-Niveausysteme funktionieren 4 [3] physik.uni-bielefeld.de/~yorks/pro13/v9.pdf

Das Laserprinzip Pumpen Betrachte Zweiniveausystem: Historie Betrachte Zweiniveausystem: Laserprinzip Seien die Hälfte der N Atome im oberen Niveau Bauarten Wahrscheinlichkeit für Absorption und stimulierte Emission sind gleich Eigenschaften Anwendungen zusätzlich besteht Wahrscheinlichkeit für spontane Emission, Besetzungsinversion ist nicht möglich Forschung Zusammenf. 5 [3] physik.uni-bielefeld.de/~yorks/pro13/v9.pdf

Das Laserprinzip Resonator Verstärkung des Lichts durch Resonator Historie Verstärkung des Lichts durch Resonator Laserprinzip Bauarten Eigenschaften Modenselektion 2𝐿=𝑛𝜆 Anwendungen Forschung Zusammenf. [A3] [A3] en.wikipedia.org/wiki/File:Optical-cavity1.png 6 [3] physik.uni-bielefeld.de/~yorks/pro13/v9.pdf

Bauarten Festkörperlaser - Rubinlaser Rubinstab Medium und Resonator Historie Rubinstab Medium und Resonator Laserprinzip Pumpen durch Xenon- Blitzlampe Bauarten Eigenschaften 3- Niveausystem Anwendungen Bild:http://en.wikipedia.org/wiki/File:5_Maiman_Laser_Components.jpg Principles of Lasers By Orazio Svelto – Plenum Press 1976 Page 367–370. Kein stabiler punkt, pulse=milliseconds Principles of Lasers By Orazio Svelto – Plenum Press 1976 Page 367–370 Laser Fundamentals by William Thomas Silfvast – Cambridge University Press 1996 Page 547-549 Forschung [A4] Zusammenf. 694,3 nm - dunkelrot [A4] en.wikipedia.org/wiki/File:5_Maiman_Laser_Components.jpg 7 [4] Principles of Lasers, Orazio Svelto, Plenum Press 1976

Bauarten Gaslaser – HeNe-Laser Pumpgas: Helium, Lasergas: Neon Historie Pumpgas: Helium, Lasergas: Neon Laserprinzip Bauarten 3-Niveausystem Eigenschaften Anwendungen Spiegelresonator http://www.physik.uni-bielefeld.de/~yorks/pro13/v9.pdf Forschung Zusammenf. 632,8 nm - rot 8 [3] physik.uni-bielefeld.de/~yorks/pro13/v9.pdf

Bauarten Flüssiglaser - Farbstofflaser Farbstoff in Lösungsmittel Historie Farbstoff in Lösungsmittel Laserprinzip Moleküle - Fluoreszenzübergänge Bauarten Eigenschaften Blitzlampe oder Laser pumpt Anwendungen ^ Design and Analysis of Flashlamp Systems for Pumping Organic Dye Lasers – J. F. Holzrichter and A. L. Schawlow. Annals of the New York Academy of Sciences ^ Simmer-Enhanced Flashlamp Pumped Dye Laser – T.K. Yee, B. Fan and T.K. Gustafson. Applied Optics – Vol. 18, No. 8 Forschung Farbkonfiguration möglich Zusammenf. [5] D.a.A.o.F.S.f. Pumping O. Dye Lasers, J. F. Holzrichter, A. L. Schawlow. Annals of the New York Academy of Sciences, 2006 [6] S.E.d F. Pumped Dye Laser, T.K. Yee, B. Fan, T.K. Gustafson. Applied Optics – Vol. 18, No. 8 9

Bauarten Laserdiode – Halbleiter-Laser Historie Elektrisches Pumpen im Halbleiter Laserprinzip Rekombination von 𝑒 − und ℎ + im pn-Übergang Bauarten Eigenschaften Anwendungen http://www.semibyte.de/wp/download/graphicslib/physics/diodenlaser_schematisch.png Forschung Zusammenf. [A5] 10 [A5] semibyte.de/.../physics/diodenlaser_schematisch.png [7] myquilt.de/al/physalt/ladivor.htm

Bauarten Laserdiode – Halbleiter-Laser Historie Laserprinzip Bauarten Eigenschaften Anwendungen Forschung Zusammenf. [A6] Energie des Laserlichts wird durch Bandlücke bestimmt 11 [A6] lab.frumania.com/wp-content/uploads/2010/06/bandgap_edit.jpg

Eigenschaften Besonderheiten von Laserlicht Leistung Historie Hohe Monochromasie Große Kohärenzlängen Laserprinzip Festgelegte Polarisation Bauarten Eigenschaften Leistung Anwendungen Laserpointer ≈ 1 – 3 mW Schewe, Phillip F.; Stein, Ben (November 9, 1998). "Physics News Update 401". American Institute of Physics. Retrieved March 15, 2008. Forschung Holographic Versatile Disc – grüner Laser: 1 W Zusammenf. Gepulste Kurzzeitlaser – 1.3 PW [3] physik.uni-bielefeld.de/~yorks/pro13/v9.pdf 12 [8] Schewe, Phillip F.; Stein, Ben, 1998. "Physics News Update 401". American Institute of Physics

Anwendung Alltagsbeispiele Historie Laserpointer – Rot, Orange, Grün, Blau, Violett Laserprinzip CD-, DVD-, BlueRay-Player Bauarten Laserdrucker - Belichtung Eigenschaften Unterhaltungstechnik - Lasershows Anwendungen http://www.laserperformance.de/images/lasershow_startseite.jpg Forschung Zusammenf. [A7] 13 [A7] laserperformance.de/images/lasershow_startseite.jpg

Anwendung Industrie, Technik, Medizin Laserschneiden Mikromechanik Historie Laserschneiden Laserprinzip Bauarten Eigenschaften Anwendungen [A8] http://www.indul.de/wp-content/uploads/2010/07/laserschneiden-seitenbild.jpg Mikromechanik Forschung Zusammenf. Operationen am Auge 14 [A8] indul.de/.../2010/07/laserschneiden-seitenbild.jpg

Anwendung Korrektur von Fehlsichtigkeiten LASIK Methode am Historie LASIK Methode am weitesten verbreitet Laserprinzip Messer oder Laser schneidet „Flap“ Bauarten Eigenschaften Hornhaut wird mit Excimer Laser korrigiert Anwendungen http://www.uni-due.de/~tah0f0/Excimer/Frames/LASIK.html Forschung „Flap“ wird zurückgeklappt Zusammenf. [A9] [A9] uni-due.de/~tah0f0/Excimer/Frames/LASIK.html 15 [9] usaeyes.org/lasik/faq/all-laser-lasik.htm

Anwendung Forschung Konfokale Laser-Mikroskopie Astronomie Historie Konfokale Laser-Mikroskopie Laserprinzip Bauarten Eigenschaften [A10] Astronomie – künstlicher Leitstern Anwendungen http://www.scilogs.de/kosmo/gallery/8/1415-image2.jpg Forschung [A11] Zusammenf. Laserkühlung [A10] ist.fraunhofer.de/.../image.img.jpg/1329389457768.jpg 16 [A11] www.scilogs.de/kosmo/gallery/8/1415-image2.jpg

Anwendung Laserkühlung - Dopplerkühlung Historie Temperatur drückt sich durch Atombewegung aus Laserprinzip Grundidee: Abbremsen der Atome führt zu Abkühlung Bauarten Eigenschaften Anwendungen physik.uni-kl.de/fileadmin/widera/Hauptseminar_WS10_11/Laserkühlung.pdf Forschung [A12] Bestrahlung der Atome mit Laserpaaren in jeder Raumrichtung Zusammenf. Abkühlung auf wenige 100µK möglich [A12] phys.strath.ac.uk/images/physics/cooling.gif 17 [10] physik.uni-kl.de/.../Laserkühlung.pdf

Aktuelle Forschung Trägheitsfusion Kernfusion als Energiequelle 18 Historie Kernfusion als Energiequelle Laserprinzip Bauarten Eigenschaften Anwendungen http://www.dpg-physik.de/dpg/gliederung/fv/p/info/grundlagen_fusion.html Forschung Zusammenf. [A13] [A13] dpg-physik.de/.../info/grundlagen_fusion.html 18

Aktuelle Forschung Trägheitsfusion NIF – stärkster Laser der Welt Historie Laserprinzip Bauarten [A14] Eigenschaften NIF – stärkster Laser der Welt Anwendungen dpg-physik.de/dpg/gliederung/fv/p/info/inertial.html Forschung UV Pulse von unter 20 nm, über 1 MJ Energie in Targetkammer – 192 Laser Zusammenf. Zündung noch nicht geglückt [A14] wikimedia.org/.../Inertial_confinement_fusion.svg 19 [11] dpg-physik.de/dpg/gliederung/fv/p/info/inertial.html

Aktuelle Forschung Elecrtodeless Plasma Thruster „EPT“ Historie Beschleunigung von neutralen Atomen durch ponderomotorische Kraft 𝐹= − 𝑞 2 4𝑚 𝜔 2 Laserprinzip Inhomogenes Oszillierendes E-Feld durch kurzen Laserpuls Bauarten Eigenschaften Femtosekundenpuls: Beschleunigung auf 10 14 ∙𝑔 Anwendungen Gregory D. Emsellem; Electrodeless plasma thruster design; The Elwing Company, Wilmington, 2005 pro-physik.de/details/news/prophy12335news/news.html?laid=12335 Nutzung als Triebwerk Forschung Zusammenf. [A15] [A15], [12] Gregory D. Emsellem; Electrodeless plasma thruster design; The Elwing Company, Wilmington, 2005 20 [13] pro-physik.de/details/.../news.html?laid=12335

Aktuelle Forschung Nichtlineare Optik - Ausblick Historie Entdeckung nichtlinearer optischer Effekte mithilfe des Lasers Laserprinzip Zusammenhang zwischen E-Feld und Polarisation nicht-linear Bauarten Frequenzverdopplung in nichtlinearen Medien Eigenschaften Anwendungen htw-aalen.de/dynamic/img/content/studium/a/publikationen/doz/2004/09_04_linieareoptik.pdf Forschung Zusammenf. [A16] [A16] wikimedia.org/wikipedia/de/9/93/Frequenzverdopplung.png 21 [14] htw-aalen.de/.../publikationen/.../09_04_linieareoptik.pdf

Zusammenfassung Historie Entwicklung von vielen Forschern, 1960 erstmalig realisiert Laserprinzip Basiert auf stimulierter Emission Bauarten Eigenschaften Verschiedenste Bauarten mit verschiedensten Materialien Anwendungen Forschung Bietet wichtige Eigenschaften und Möglichkeiten Zusammenf. Viele alltägliche Anwendungen aber auch in aktueller Forschung ein wichtiges Thema 22

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Quellen [1] hs-pforzheim.de/.../GeschichteDesLasers_Verfahren.aspx [2] web.mit.edu/invent/iow/gould.html [3] physik.uni-bielefeld.de/~yorks/pro13/v9.pdf [4] Principles of Lasers, Orazio Svelto, Plenum Press 1976 [5] D.a.A.o.F.S.f. Pumping O. Dye Lasers, J. F. Holzrichter, A. L. Schawlow. Annals of the New York Academy of Sciences, 2006 [6] S.E.d F. Pumped Dye Laser, T.K. Yee, B. Fan, T.K. Gustafson. Applied Optics – Vol. 18, No. 8 [7] myquilt.de/al/physalt/ladivor.htm [8] Schewe, Phillip F.; Stein, Ben, 1998. "Physics News Update 401". American Institute of Physics [9] usaeyes.org/lasik/faq/all-laser-lasik.htm [10] physik.uni-kl.de/.../Laserkühlung.pdf [11] dpg-physik.de/dpg/gliederung/fv/p/info/inertial.html [12] Gregory D. Emsellem; Electrodeless plasma thruster design; The Elwing Company, Wilmington, 2005 [13] pro-physik.de/details/.../news.html?laid=12335 [14] htw-aalen.de/.../publikationen/.../09_04_linieareoptik.pdf

Bildquellen [A1] wikimedia.org/.../449px-Gould_notebook_001.jpg [A2] en.wikipedia.org/.../File:Ted_Maiman_Holding_First_Laser.jpg [A3] en.wikipedia.org/wiki/File:Optical-cavity1.png [A4] en.wikipedia.org/wiki/File:5_Maiman_Laser_Components.jpg [A5] semibyte.de/.../physics/diodenlaser_schematisch.png [A6] lab.frumania.com/wp-content/uploads/2010/06/bandgap_edit.jpg [A7] laserperformance.de/images/lasershow_startseite.jpg [A8] indul.de/.../2010/07/laserschneiden-seitenbild.jpg [A9] uni-due.de/~tah0f0/Excimer/Frames/LASIK.htm [A10] ist.fraunhofer.de/.../image.img.jpg/1329389457768.jpg [A11] www.scilogs.de/kosmo/gallery/8/1415-image2.jpg [A12] phys.strath.ac.uk/images/physics/cooling.gif [A13] dpg-physik.de/.../info/grundlagen_fusion.html [A14] wikimedia.org/.../Inertial_confinement_fusion.svg [A15] Gregory D. Emsellem; Electrodeless plasma thruster design; The Elwing Company, Wilmington, 2005 [A16] wikimedia.org/wikipedia/de/9/93/Frequenzverdopplung.png

Eigenschaften Gaußsche Optik Mathematische Beschreibung: Historie Mathematische Beschreibung: 𝐸 𝑟,𝑧 = 𝐸 0 𝜔 0 𝜔(𝑧) exp − 𝑟 2 𝜔 2 (𝑧) −𝑖𝑘𝑧 −𝑖𝑘 𝑟 2 2𝑅 𝑧 +𝑖𝜁(𝑧) Laserprinzip Bauarten Eigenschaften Anwendungen Forschung Zusammenf.